Введение к работе
Актуальность проблемы. Функционирование девственных ландшафтов шли определяется, с одной стороны, законами их эволюции (динамики) іледствие естественного хода во времени и пространстве биоклима-іческой ситуации, а с другой - относительно устойчивым соотноше-іем (гомеостазом) взаимодействующих компонентов ландшафта. Антро-ігенное вмешательство, как правило, сопровождается нарушением при-ідного равновесия, деградацией и в крайних проявлениях - разруше-ієм (катастрофой) ландшафтных комплексов, т.е. среды обитания чело-іка. Поэтому особую актуальность приобретает рационализация хо-:йственной деятельности, ослабление и ликвидация неблагоприятных ропогенных воздействий и их последствий на биосферу. Стратегия тактика рациональной деятельности предполагает знание природы сцессов. управляющих функционированием, ландшафтов, и выработку кмов и средств, обеспечивающих это управление, В их системе обоє место принадлежит растительности, в том числе древесной, на м зиждется парадигма лесной мелиорации вообще и противоэрозионюй сомелиорации (ПЭЛМ), в частности.
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых В.В.Докучаева, Н.Высоцкого. А.С.Козменкэ. Г.А.Харитонова. Г.Ф.Басова. И.П.Сухаре-. А.А.Молчанова, Д.Л.Арманда, И.И.Львовича. Г.П.Сурмача. X.Л.Пенна и других выявлено огромное и разнообразное влияние лесной рас-тельности на гидрологический и эрозионно-аккумулятивный (в ссвокуп-сті! эрозионно-гидрологический) процессы в ландшафте. Ими обосно-ны и разработаны разного уровня модели процессов и явлений, позпо-ющие выполнять обоснованные расчеты. Продолжение и развитие идей подходов в области инженерной противоэрозионной мелиорации и оео-нно ПЭЛМ о использованием идеологии системного подхода и созданием делей явлений и процессов составляет суть настоящей работы и опре-
- г -
деляет ее актуальность в теоретическом и прикладном аспектах.
Работа выполнялась в соответствии с заданиями МСХ СССР,БАСХ1ШЛ, РАСХН ПО темпланак ЕПИАЛМИ (1962 - 1975, 1983 - 1995 ГГ.). ВШШЗиЗЛ: (1975 - 1983 гг.) п в порядке личной инициативы.
Целью работы является управление эрознонно-гидрологическим про цессом (ЭП1) в антропогенном ландшафте приемами и средствами ПЭЛМ Достижение целі: осуществлялось по следующей общей схеме взаимосся занных процедур: анализ и систематизация известных подходов - вира ботка руководящей концепции - теоретическое обоснование модели явлс ния или процесса - факторний анализ экспериментальных данных - фо{ мирование математической модели к оценка ее адекватности - компы терная реализация модели - инженерный расчет и проектирование.
Для достижения цели требозалось решение теоретических, методі чзскнх к прикладных задач разного ранга, а именно:
-разработка обгцеК концепции ПЭЛМ, ее методов и методологии;
-обоснование к разработка общей концепции и теории единого эр зиошю-аккумулятивного процесса (ЭАП) и ЭП1 и выявление их спей фики в ПЭЛМ;
-обоснование принципов в разработка способов оценки шітег-paj ной ветролоиной эффективности лесных полос (ЛП). их оптимальне размещения на территории с учетом ветроломных. стокорегулирущнх противоэрозкюшых функции;
-поиск, сбор, систематизация, факторный анализ собственных, . тературных и фондовых экспериментальных данных по характерно ветра и ЭГП под защитой ЛП и вне их влияния;
-создание- частных, а общих моделей ветрового режима, ЭАП, Э формы склона, инфильтрации воды в талую и мерзлую почву, водопог щешш в ЛП, зонах их снехаш шлейфоЕ и вне их;
-построение классификационных схем ЭГП, генезиса и эволк эрозионных образований, эрозионно-аккумулятивного рельефа, сие
ПрОТЛВОЗроЗИОПНиХ МЄрОПрКЯ'ПіЛ, факторов ННфИ/!ЬТр5ЦШ[, ЭВОЛЮЦИИ ЗГП
в ландшафте:
-расчет морфометрических характеристик рельефа, текущего, интегрального и среднего смыва на склонах при наличии Ш и без них, положения протнвоэрозионных рубежей (ЛП. залоз-террас и др.) по критерию допустимого смыва;
-разработка л практическая реализация принципов, технологии, компьютерных средств системы автоматизированного проектирования (САПР) ЛП и других элементов противоэроэионного комплекса;
-картографирование гидрологических характеристик, показателей петроломноп эффективности ЛП, компьютерное построение топокарт, ЛИНИЙ тока, карт уклонов, текущего смыва, противоэрозионных рубежей;
-создание нормативной базы эрозионно-гидрологических расчетов: таблиц и кривых вероятности превышения, средних величин инфильтрации v. стока на пашне, в массивах и полосных лесонаждеігакх, гзо до поглощения под ЛП при подтоке, в том числе при наличии средств усиления во-д'.'ПОГлощения (мульчи, валов, канав, их сочетании и т. п.). стокорегу-лирующего эффекта лесонасаждении.
Объекты исследования и Фактический материал.В основу работь положены экспериментальна данные собственных и выполненных под руководством автора исследований на эрозионно-гидрологических оташюнарах (воднобалансовые площадки, водосборы, полевые полунедельные опиты) ВГ.ИАЛМИ и ВНКИЗиЗПЭ в европейской и азиатский части России, а также результата экспедиций, маршрутных и иных наблюдений и оценок.
Били привлечены литературные источники информации для оценки поглощения талых зод в ЛП (около ЬОО годоваркантов без средств усиления ЛП и 500 со средствами их усиления); инфильтрации и стока иа зяби и уплотненной паше (более 6С0 годовариентов). а. также при выполнении агротехнических почвозащитных приемов (около 150 годе вариантов) . Характеристика ветрового режима и создание баз данных дня
- 4 -ЭВМ выполнялись с использованием материалов наблюдений 2000 метеостанций европейской и азиатской территории СССР между 20-90 в.д.
- от западной границы примерно до Енисея, всего около 250000 индиви
дуальных показателей. Для оценки параметров рельефа и величины смыва
выполнен компьютерный анализ около 600 линий тока общей протяжен
ностью 1700 км и создан соответствующий банк информации.
Научной новизной и практической значимостью обладают следующие выносимые на зашиту положения и разработки:
1. Концепция о физической и математической адекватности функций
формы склона и ЭАП (а.с.1449905). на основе которой разработана тео
рия и математическая модель единого ЭАП, объединяющие частные модели
- гидродинамическую, эмпирическую и геоморфологическую.
-
Универсальная математическая модель (функция) формы склона для расчета морфометрических характеристик рельефа: текущих отметок и уклонов, положения точек перегиба, бровок и т. п.
-
Схема генезиса, эволюции и классификации форм эрозионно-ак-кумулятивного рельефа, проявляющихся в спонтанной последовательности смены, обрыва осыпью и склонами делювиального сноса, пролювиально-делювиальной и аллювиальной аккумуляции.
-
Совокупность методов полевого и лабораторного моделирования ЭГП и ЭАП: управляемого напуска воды (а.с.886766); регистрации напоров и расходов воды и наносов, определения водопроницаемости (а.с.898323) и водно-физических свойств почвы при замерзании-оттаивании (а.с.998901); расчета смыва (а.с.1449905); оценки эрозии-аккумуляции (а.с. 1586531) и др.
-
Концепция образования в почве сплошной менисковой пленки и ледяного экрана как условия (критерия) перехода безнапорной инфильтрации в напорную и формирования стока.
-
Математические модели (функции): водопоглощения при подтоке и без него в лесных насаждениях и на полевых угодьях, ветроломной
эффективности ЛП, эрозионно-аккумулятивного процесса на склонах с ЛП и без них.
-
Оценки парамеч ^ов кривых вероятности превышения максимального водопоглощения d лесных массивах, ЛП и на пашне при подтоке талых вод и без него; средних величин максимального водопоглощения в ЛП в сочетании со средствами его усиления {валы, канавы и т.п.).
-
САПР противоэрозионных ЛП и иных рубежей в системе почвозащитных мероприятий.
Практическая значимость работы к реализация полученных результатов. Теоретические, методические и прикладные разработки автора по широкому кругу вопросов эрозиоведения и ПЭЛМ углубляют и расширяют представления о природе гидрологического, эрозионно-аккумулятивного, климатического, почвенного процессов, обеспечивают совершенствование методов экспериментальных исследований, повышение точности расчетов, производительности и качества проектных работ и уровня преподавания соответствующих дисциплин.
Методические і! прикладные разработки автора отражены в следующих основных документах: "Рекомендации по созданию комплекса агролесомелиоративных мероприятий" (Волгоград. 1973); "Изучение водопогло-щающего и протпвоэрозионного влияния защитных лесных насаждений в комплексе с другими мероприятиями" (Методические рекомендации.-М., 1975); "Методические рекомендации по проектированию комплекса противоэрозионных мероприятий для проектов внутрихозяйственного землеустройства колхозов и совхозов, входящих в зону крупномасштабного эксперимента" (Курск. 1978); "Защита почв or эрозии в Центрально-Черноземной зоне" (Рекомендации.-Каменная степь. 1978); "Рекомендации по увеличению производства зерна, кормов, повышению эффективности и устойчивости земледелия в Центральло-ЧерноземноР зоне" (М., 1980); "Система земледелия Курской области" (Курск. 1982); "Планирование и проведение многофакторных опытов по разработке почвозащитных систем
земледелия" (Методические рекомендации.-м.. 1983); "Почвозащитное земледелие на склоновых землях Центрально-Черноземной зоны" (Рекомендации. -М.. 1984); "Корреляционно-регрессионный анализ в противо-эрозионной лесомелиорации с применением программируемых калькуляторов" (Методические рекомендации.-Волгоград. 1986); "Методические рекомендации по составлению проектов внутрихозяйственного землеустройства с комплексом противоэрозионных мероприятий на расчетной основе" (М.. 1987); "Рекомендации по лесной мелиорации при контурной организации территории в районах активного проявления водной эрозии" (Волгоград, 1989); "Методика полевого моделирования, расчета смыва и расстояний между лесополосами" (М.. 1991) и др.
Разработки автора, в т.ч. САПР, использованы при составлении проектов внутрихозяйственного землеустройства и противоэрозионных мероприятий в хозяйствах Курской, Орловской. Волгоградской,Челябинской областей и Алтайского края на общей площади около 300 тыс.га. а также при создании систем стокорегулирующих ЛП в Курской и Волгоградской обл.
Апробация работы. Основные положения диссертации по вопросам защиты почв от эрозии, почвозащитного контурного земледелия, охраны окружающей среды обсуждались на конференциях, совещаниях, семинарах, школах, курсах:
всесоюзных (Каменная степь.1969: Москва, 1977.1981. 1987.1991; Курск, 1978, 1980. 1991: Одесса. 1969; Челябинск. 1980; Новочеркасск, 1982; Полтава, 1983; Волгоград, 1984; Минск, 1987); республиканских и региональных (Курск, 1980, 1981, 1982, 1984; Волгоград. 1985. 1987, 1989; Ворошиловград. 1985); международных (Волгоград, 1988; Москва, 1993); кроме того, на заседании секции защитного' лесоразведения отделения лесоводства и агролесомелиорации ВАСХНИЛ; і Проблемной лаборатории эрозионных и руслов&х процессов географического факультета МГУ (1988) и в лаборатории охраны почв от эрози
- 7 -Института почвоведения и фотосинтеза АН СССР (Пущино-на-Оке. 1987): на общем собрании членов Курского отделения Всесоюзного общества почвоведов (1989).
Материалы докладывались и экспонировались на ВДНХ,использованы при съемках фильма.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 138 печатных работ объемом около 100 п.л. Имеется 6 авторских свидетельств и патент. Из публикаций в соавторстве в диссертацию включены разработки, принадлежащие лично автору. Материалы соавторов использовались в обобщении наряду с другими литературными данными.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения. Работа изложена на 673 стр., содержит 55 таблиц. 116 рисунков, список литературы из 879 наименований, в т.ч. иностранных 111. из них 42 на иностранном языке, приложений на 46 стр.
